邹楼铁矿地下开采对地表位移影响分析

2022-12-06杨家冕郭振鹏

现代矿业 2022年11期

操帅杨家冕郭振鹏

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

地下开采引起的上覆岩层及地表移动变形会直接影响地表建（构）筑物，过于剧烈的变形将会导致建（构）筑物破损甚至倒塌，因此，需要高度重视矿区范围内建（构）筑物岩层及地表移动问题，防范因地下开采造成的事故。当下关于金属矿山地下开采对地表建（构）筑物影响已有许多研究成果。邹平等［1］采用经验公式对某矿留存矿柱的安全系数及地表不稳定边界进行了计算，并采用数值方法获取了采空区及地表岩体的应力、应变值；付华等［2］以金山店铁矿东区为例，依据近6 a的监测数据，对矿体周围岩体变形规律进行分析，并阐述岩体变形程度与趋势；徐国平等［3］根据弹性力学理论建立了地表移动预测分析的三维理论模型，并用于鲁中铁矿地下开采引起的地表移动预测分析；张智博等［4］采用数值模拟的方法对某铜矿的开采过程进行了分析，得到了开采过程中建（构）筑物地表的变形规律，并对其稳定性影响范围及大小进行分析；夏开宗等［5］以湖北鄂州岩潮铁矿西区为例，依据近6 a的地表水平位移、沉降位移变形监测成果，对地下开采引起的地表变形规律进行分析，得出地表岩体突然加速，在经历较短时间的快速变形之后，又线性稳定增长，进入倾倒破坏阶段。

本文以邹楼铁矿为研究对象，建立简化后3个矿床的数值模拟网格计算模型，采用FLAC3D软件进行矿体开采充填过程的三维数值计算，通过分析采场围岩位移数据，判断点柱式上向分层充填法对地表建（构）筑物的影响情况及因素。

1 矿山概况

邹楼铁矿位于濉溪县城西南部约50 km处，矿区总面积为6.54 km2，地处淮北冲积平原，地势平坦，地面标高为+29～+31 m。地区属大陆—海洋性的过渡型气候区，具有四季分明，气候温暖湿润，雨量较充沛，无霜期长等特点。据气象资料，年平均气温为14℃，最高气温为39℃，最低气温为-18℃，全年无霜期为210～220 d。年平均降雨量为700～1 400 mm，多集中在每年的7、8月份。

邹楼铁矿床第四系底部沉积层较厚，黏性土地层分布较稳定，渗透性差，它能阻止地表水、大气降水及砂层水的下渗补给。存在于风化带和矿体顶板的裂隙水是今后矿坑充水的主要来源。虽然岩心较完整，但各层位中含有较丰富的地下水。矿床内尚有几处挤压破碎带，这些都存在着导水的可能性。邹楼铁矿区的水文地质条件类型初步认为是以裂隙水充水为主，水文地质条件属中等。

邹楼铁矿床为厚层第四系松散岩层所覆盖。古风化带呈似层状，稳定性较差。矿体顶、底板岩石总体稳固性尚好，但部分岩石稳定性较差。矿床构造相对简单，矿床内仅见F1、F22条断层。部分矿体及顶板局部岩段较软弱破碎，稳定性差。其风化带界线较明显，风化带内的岩石风化程度较剧烈，岩石的抗压强度明显降低，稳定性差。地下水有较大的静水压力，各岩层间的水力联系较密切。邹楼铁矿区的岩体工程地质复杂程度为中等。

矿床地表沉降监测线范围内，地表建（构）筑物有村庄、河流和S411省道。在矿山开采后可能产生局部地区地形发生改变，但对地质环境破坏不大，区内无明显污染源，地表水和第四系砂层的水质较好，矿石和废石化学成分基本稳定，对地质环境不会产生较大的影响和危害。邹楼矿区为地质环境状况良好的矿床。

2 数值模型建立

2.1 模型简化

邹楼铁矿区地层多样，自下而上分别为寒武系上统、奥陶系、石炭系、二迭系和第四系。地层受地质构造运动影响，局部出现断层，地层产生较大错动。同时，由于岩浆岩的侵入，使得岩枝空间分布极不均匀，造成了矿区地层空间赋存形态较为复杂。在建立矿山地质三维数值模型时，根据矿山提供的勘探线地质剖面图以及矿区岩体的分组结果，对矿山地质模型做适当简化。

（1）矿区地层信息的简化。根据地质报告，勘探钻孔揭露的各地层含有多种岩性。如寒武系上统主要岩性有大理岩、泥灰岩、含石英大理岩、白云石大理岩等；奥陶系主要岩性有泥灰岩、大理岩、大理岩化灰岩、白云质灰岩等；石炭系与二迭系主要岩性为砂岩、砂质页岩、炭质页岩、薄层灰岩以及薄煤层等；岩浆岩岩体以闪长岩与闪长玢岩为主。各地层岩性的多样性使得矿区三维地质模型极其复杂。因此，根据各岩层主要岩性，做适当简化，简化后矿区地质模型地层信息自上而下为第四系、风化带、页岩、灰岩、闪长岩、大理岩。

（2）矿区风化带厚度的简化。根据矿山详查地质报告中关于风化带厚度的大致描述，在第四系与新鲜基岩之间绘制了30 m厚的风化层。

（3）地层界线空间赋存形态的简化。受岩浆岩侵入的影响，矿区内各地层空间展布形态极其复杂。因此，在建立地层模型过程中，对部分细小的地层做合并、删除等简化处理。

2.2 三维模型

根据勘探线剖面图，绘制矿体界线、地层界线与断层破碎带界线。通过各剖面线建立地质界面，经布尔运算，最终形成三维实体模型，并在FLAC3D软件中，对三维实体模型进行网格划分，最终建立三维数值网格模型。以矿山矿体开采地表位移监测范围为基准，为防止数值计算的边界效应，再适当扩大研究范围。图1为陈楼北矿床三维地质模型，东西向长1 072 m，南北向长1 293 m，网格模型共包含582 341个四面体单元与108 731个单元节点；图2为陈楼矿床模型，东西向长1 206 m，南北向长1 012 m，网格模型共包含588 313个四面体单元与109 783个单元节点；图3为邹楼矿床模型，东西向长1 405 m，南北向长1 522 m，网格模型共包含870 200个四面体单元与162 759个单元节点。

3 数值模型初始条件和模拟方案

3.1 本构模型及应力条件

假设模型岩体均为理想弹塑性连续介质，本构模型选用摩尔-库仑模型，初始应力场采用自重应力。

3.2 边界条件

通过分析采矿的实际条件与FLAC3D软件边界条件确定的一般原则，本次模型的边界条件选取如下：模型四周平面中，X法向平面施加X向约束，即X方向位移为零；Y法向平面施加Y向约束，即Y方向位移为零；模型底部平面施加Z向约束，即Z方向位移为零；模型顶面为自由面，不施加约束。

3.3 岩体物理力学参数

本研究项目数值计算模型中各岩体物理力学参数如表1所示。

3.4 数值模拟分析方案

根据邹楼铁矿采用的采矿方法，选择合理的模拟方案，以尽可能模拟实际采矿活动造成的岩体移动。矿山采用点柱式上向分层充填法，矿块长度选为40 m，宽度为矿体水平厚度，矿块间留4 m厚间柱，矿房内设置点柱，点柱规格为5 m×5 m，点柱间净跨距为8.5～9.0 m。沿矿体走向方向，将矿体划分为40 m跨度的条带进行开采。每条带开采后，随即进行充填模拟计算，之后再进行下一条带的开采。

4 数值模拟结果分析

根据建立的邹楼铁矿三维数值模型，以模型初始条件为前提，按照数值模拟分析方案，采用FLAC3D模拟计算邹楼铁矿地下开采过程。

陈楼北矿床各采场开采后顶板围岩位移云图见图4。由图4可以看出，在开采后顶板均发生一定量的位移，最大位移在浅部小型采场，顶板围岩为风化带，开采后位移量达到97 cm，说明该采场顶板不够稳定，处于易发生坍塌状态，容易造成安全事故。其余采场顶板围岩位移较小，为10～25 cm，处于稳定状态，较为安全。从图4中得知，不同深度采场顶板围岩位移均有不同，主要取决于采场顶板围岩性质，由于浅部采场围岩风化较严重，而深部采场受风化影响小，因此，浅部到深部的顶板位移也是从大到小。陈楼北矿床围岩位移剖面云图见图5。由图5可知，浅部小采场造成的围岩移动对地表位移影响较大，而深部采场对地表的影响随着深度逐渐减小。

陈楼矿床采场顶板围岩位移云图见图6。由图6可知，较大范围内的采场顶板都有一定的位移，大部分采场顶板位移为5～10 cm，其中，最大位移为13 cm，且面积较大，说明该矿床受采动影响范围较广，导致顶板位移区域较大，并且发生较大位移的区域也比较多，因此，需要进行较大区域的支护。图7为陈楼矿床围岩位移剖面云图。由图7可知，陈楼矿床浅部矿体范围较大，采场暴露面积大，开采造成的顶板围岩位为10～13 cm，浅部的2个矿体开采对地表沉降影响较大。

邹楼矿床采场顶板位移云图见图8。图8显示，邹楼矿床中央两矿体范围大，厚度也较大。因此，该区域采场顶板为最大位移，约为39 cm，从中央向四周顶板位移随距离也逐渐减小，位移值达到10～30 cm，由此可知，该矿床开采整体顶板位移较大，易导致地表沉降值较大，应注意防护。邹楼矿床围岩位移剖面云图见图9，可知，矿床中央厚大矿体顶板围岩位移值较大，影响范围广，是地表位移主要影响因素。除此以外，浅部采场比深部采场位移值更大，位移变化速率也更慢，说明深部采场比浅部采场更稳定，并且中央矿体对深部采场的影响小于浅部采场。